风电齿轮箱行星架铸钢件低温及抗疲劳性能研究

发布时间：2018-10-23 18:30

【摘要】：风电齿轮箱行星架是风力发电机的重要组成部分。通常情况下,风机由于地处偏远陆地或者海上,其工作环境相对恶劣,经常面临冲击风载以及低温环境的考验。行星架多采用铸钢材料,材料在低温环境下的力学性能以及抗疲劳性能,是风机使用安全与使用寿命的重要影响指标。伴随着人们对于新能源需求度的提高,风场得到了大规模发展与建设。面对这些问题,研究风电齿轮箱行星架的低温性能以及抗疲劳性能具有重要的理论意义和实用价值。本文以风电齿轮箱及行星架的结构为基础,依据行星架的结构特点进行三维建模和受力分析,在此基础上利用有限元仿真分析得出行星架易产生疲劳破坏的部位。在研究低温力学性能之前,通过常温下的拉伸试验得到风电齿轮箱行星架所使用铸钢材料的基本力学性能参数。然后,考虑低温环境下冲击风载,采用“夏比(Charpy)冲击试验”,分别进行多组常、低温的V型缺口和U型缺口试样的冲击试验,得到冲击功随温度的变化规律。通过扫描电镜(SEM)观察冲击断口形貌,分析了断口特征与断裂机理的关系。接下来,针对风电齿轮箱行星架铸钢件进行了抗疲劳性能的研究。采用高频疲劳试验机模拟实际受力情况进行疲劳试验,通过数据处理得到应力水平—疲劳寿命(S-N)曲线和材料的疲劳极限值,并且通过SEM观察到呈现疲劳条带的典型疲劳断口的形貌分析了断裂机理。为了更进一步研究抗疲劳性能,采用MTS疲劳试验机进行标准紧凑拉伸C(T)试样的疲劳裂纹扩展试验,测量得出材料抵抗裂纹失稳扩展能力的表征参数,即平面应变断裂韧度。通过试验得到的载荷P与裂纹嘴开口处张开位移V的关系,进行计算判断对比分析了不同取样方向试样的断裂韧性值,并依据通过SEM观察断口形貌特征得出了疲劳裂纹扩展的机理。
[Abstract]:The gearbox planetary rack of wind power is an important part of wind turbine. Usually, because of the remote land or sea, the fan often faces the test of impact wind load and low temperature environment because its working environment is relatively bad. The mechanical properties and fatigue resistance of the cast steel materials in the planetary frame are important indexes of the safety and service life of the fan. With the increasing demand for new energy, wind field has been developed and constructed on a large scale. In the face of these problems, it is of great theoretical significance and practical value to study the low temperature performance and fatigue resistance of the planetary frame of the gearbox of wind power. Based on the structure of wind power gearbox and planetary frame, the three-dimensional modeling and force analysis are carried out according to the structural characteristics of the planetary frame. Based on the analysis of finite element simulation, the site where the planetary frame is prone to fatigue failure is obtained. Before studying the mechanical properties at low temperature, the basic mechanical properties of cast steel used in the planetary frame of wind gearbox were obtained by tensile test at room temperature. Then, considering the impact wind load in the low temperature environment, the impact test was carried out by using "Charpy (Charpy) impact test", and the impact tests of V-notch and U-shaped notched samples at low temperature were carried out, respectively, and the change of impact energy with temperature was obtained. The morphology of impact fracture was observed by scanning electron microscope (SEM), and the relationship between fracture characteristics and fracture mechanism was analyzed. Next, the fatigue resistance of the steel castings on the planetary frame of the gearbox of wind power is studied. The high frequency fatigue testing machine is used to simulate the actual loading condition to carry on the fatigue test. Through the data processing, the stress level-fatigue life (S-N) curve and the fatigue limit value of the material are obtained. The fracture mechanism of typical fatigue fracture surface was analyzed by SEM. In order to further study the fatigue resistance, the fatigue crack growth test of the standard compact tensile C (T) specimen was carried out by using MTS fatigue tester, and the characterization parameters of the resistance to crack instability propagation, namely plane strain fracture toughness, were obtained. On the basis of the relation between the load P and the opening displacement V of the crack nozzle, the fracture toughness of samples with different sampling directions is analyzed. The mechanism of fatigue crack growth was obtained by observing the fracture morphology by SEM.
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG142.1;TM315

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本文编号：2290115